Étude des propriétés hydriques et des mécanismes<br />d'altération de pierres calcaires à forte porosité.

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mécanismesd’altération de pierres calcaires à forte

porosité.

Kévin Beck

To cite this version:

Kévin Beck. Étude des propriétés hydriques et des mécanismesd’altération de pierres calcaires à forte porosité.. Minéralogie. Université d’Orléans, 2006. Français. �tel-00125704�

THESE PRESENTEE A L’UNIVERSITE D’ORLEANS

POUR OBTENIR LE GRADE DE

DOCTEUR DE L’UNIVERSITE D’ORLEANS

Discipline : Sciences des Matériaux

PAR

Kévin BECK

Étude des propriétés hydriques et des mécanismes

d’altération de pierres calcaires à forte porosité

Soutenue le 02 octobre 2006,

MEMBRES DU JURY :

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Etre homme, c'est précisément être responsable.

C'est sentir, en posant sa pierre, que l'on contribue

à bâtir le monde.

[Antoine de Saint-Exupéry]

Extrait de Terre des hommes

Remerciements

Dans la vie, les hommes sont tous tributaires les

uns des autres. Il y a donc toujours quelqu’un à

maudire ou à remercier ...

[Madeleine Ferron]

Extrait de Le chemin des dames

Je tiens à remercier tous ceux qui m’ont aidé et/ou soutenu durant ce travail de thèse ! Ils se reconnaîtront …

Mais, il faut bien l’avouer … quelles sont les choses que l’on lit en premier quand on consulte une thèse ? Ce sont le résumé, la conclusion générale et les remerciements …

Alors, comme je n’aime pas décevoir les gens, les voici ! Mais, n’oubliez tout de même pas de lire le reste …

Ce mémoire de thèse est certes l’aboutissement d’un travail personnel, fruit de quatre années d’efforts, mais c’est surtout le résultat du travail d’un groupe. Ainsi, en espérant que je n’oublierais personne, je tiens à remercier sincèrement toutes les personnes qui ont contribué, de près ou de loin (voire de très loin), à l’existence de ce manuscrit que vous allez lire (si toutefois vous avez le courage d’arriver jusqu’au bout …). Leur aide a pu être aussi bien scientifique, technique, morale ou amicale.

Les travaux présentés dans ce manuscrit ont été réalisés à Orléans au Centre de Recherche sur la Matière Divisé (CRMD : UMR6619), placé sous la direction de Madame Marie-Louise Saboungi, en collaboration avec l’Institut des Sciences de la Terre d’Orléans (ISTO : UMR6113), placé sous les directions successives de Madame Elisabeth Vergès et de Monsieur Ary Bruand.

Je voudrais tout d’abord exprimer ma gratitude à tous les membres de mon jury pour l’honneur qu’ils m’ont fait en acceptant de juger ce travail : Madame Marie-Louise Saboungi, professeur à l’Université d’Orléans et directrice du CRMD, que je remercie d’avoir accepté de présider mon jury de thèse ; Messieurs Yves Guéguen et Frédéric Skoczylas, respectivement professeur à l’Ecole Normale Supérieur de Paris et professeur à l’Ecole Centrale de Lille, pour l’honneur qu’ils m’ont fait en acceptant d’être les rapporteurs de cette thèse et pour leurs critiques judicieuses ; Monsieur Jean-Didier Mertz, ingénieur de recherche au Laboratoire de Recherche sur les Monuments Historiques à Champs-sur-Marne, pour sa connaissance des pierres et de leurs altérations ainsi que pour ses remarques pertinentes sur mon travail. Je remercie tout particulièrement mon directeur de thèse, Monsieur Muzahim Al-Mukhtar, professeur à l’Université d’Orléans, pour avoir été à l’origine et surtout encadrant principal de ces travaux. Je lui adresse mes remerciements les plus sincères pour m’avoir guidé, conseillé, encouragé, supporté (surtout durant la rédaction !), pour m’avoir appris à tirer le côté positif de chaque résultat (et par moment, ce n’est pas évident …), et pour n’avoir jamais douté de moi (contrairement à moi-même …) durant ces années de thèse initiée par un sujet de stage de DEA qui m’avait à l’époque déjà frappé par son originalité. J’adresse aussi ma reconnaissance à Monsieur Alain Plançon, professeur à l’Université d’Orléans et co-directeur de cette thèse, pour ses remarques qui m’ont aidé à avoir un regard extérieur et du recul sur mes travaux. Je tiens également à exprimer toute ma gratitude à Monsieur Olivier Rozenbaum, maître de conférences à l’Université d’Orléans qui a participé à l’encadrement de cette thèse, pour sa rigueur scientifique, ses critiques constructives et ses conseils avisés.

Pour mener à bien ce travail de recherche qui constitue cette présente thèse, j’ai du côtoyer un certain nombre de personnes et leur contact fut particulièrement enrichissant. Je tiens donc à saluer comme il se doit les personnes suivantes : Philippe Badets (dit Fifi le mécano) pour sa sympathie et pour les innombrables bricolages qu’il a pu faire afin que les différents montages de mes manips voient le jour et fonctionnent en plus … ; Patrick Baillif pour les mesures d’ICP ; Luc Barbanson pour

petits bouts de pierre (la résine durcit au bout de 47 minutes !! pas 48 …) ; Toum Cam pour m’avoir dépanné avec les pompes à vide et pour son aide dans les manips de DRX, ainsi que pour sa gentillesse et sa disponibilité ; Sandrine Delpeux pour ses conseils avisés en chimie ; Sylvain Janiec pour la réalisation des sections polies ; Xavier Laure pour le codage de la macro Excel servant à l’analyse d’image (le code est à l’annexe D) ; Jacky Marie, Rose-Marie Mineau et Laurent Gouleuf qui se sont succédés pour faire fonctionner le porosimètre à mercure qui avait bien des soucis de santé (paix à son âme porosimétrique !) ; Guy Pesnel pour la réparation de l’enceinte climatique réfrigérée (appelé aussi "frigo à Kévin") qui m’a servi pour les essais de gel/dégel qui ne sont pas présentés dans ce manuscrit (le tuffeau blanc résiste un peu plus au gel que la pierre de Sébastopol … et par les cycles de gel/dégel, le tuffeau blanc s’altère principalement par gélidisjonction alors que la pierre de Sébastopol se désintègre de façon granulaire ! … pfff, et dire que je met encore des résultats même dans mes remerciements …) ; Alain Pineau pour ses conseils sur la DRX sur poudre et sur l’ATG ainsi que pour sa sympathie et sa bonne humeur (et aussi pour nos débats sur Harry Potter … et je le dis encore : je suis sûr que Severus Rogue est un gentil !!! ou du moins, il n’est pas réellement avec Voldemort !! bon, le tome 7 sortira dans quelques mois alors patience …) ; Christiane Pipeau pour son aide en paillasse de chimie et pour son éternelle gentillesse ; Isabelle Rannou et Fabrice Muller pour leurs précieux conseils dans les manips de DRX en massif ; Annie Richard et Caroline Andreazza pour les longues heures passées au MEB à rechercher des zones intéressantes pour les clichés (les paysages au cœur du tuffeau sont vraiment superbes et toujours variés !) ; Jean-Louis Robert pour les discussions géologistiques.

Je me dois également de remercier la carrière de tuffeau LUCET à Saint-Cyr-en-bourg pour nous avoir fourni le matériau de base pour mes travaux (le tuffeau blanc) et pour l’accueil qu’ils nous ont réservé, ainsi que la carrière ROCAMAT à Saint-Maximin pour nous avoir donné un petit échantillon de 100 kg de pierre de Sébastopol (Saint-Vaast-les-Mello en fait …).

Je tiens aussi à adresser ma reconnaissance à François Ier _{que je n’ai malheureusement pas connu} mais à qui on doit la construction du château de Chambord, le premier monument en tuffeau que j’ai visité et qui m’a donné quelques unes des belles photographies d’altérations présentées ici !

Ces remerciements ne seraient pas complets sans un merci aux amis et à ceux qui font que chaque journée est ensoleillée, même si il pleut … Ces personnes n’ont pas contribué directement à mon travail mais sans eux, rien n’aurait pu être fait ! Et comme dirait Epicure, que je n’ai malheureusement pas connu lui aussi : « Ce n’est pas tant l’intervention de nos amis qui nous aide mais le fait de savoir que nous pourrons toujours compter sur eux ! » … Je tiens donc à exprimer mes plus chaleureux remerciements à une "grande" amie (ceux qui la connaissent comprendront les guillemets … ^_^), camarade de promo et voisine de bureau : Nathalie Bouet. Sa gentillesse, son dynamisme, son sourire et son éternelle bonne humeur ont toujours été d’un grand soutient. Merci aussi aux amis bordelais du sud : Gérald Lelong, docteur à venir : coming soon 2007, et Vincent « Caouette » Léon, autre docteur millésime 2006 (grand cru !), pour leurs sympathies internationalement reconnues et pour les moments post-travail/déconne du soir avec pauses miam-miam et glou-glou en squatte de leur bureau (magnéto Serge ! et on ne bouge pas pendant le jingle !). A ce trio de joyeux lurons, on doit aussi ajouter le Schumacher de la Ford fiesta 1984, Julien Dudognon, un "exilé" du bâtiment de la fac qui connaissait bien l’heure d’ouverture de la cafèt’ à gégé et à qui on doit, entre autre, le fameux sampler (magnéto Serge !) … et bien sûr Romain Fleurier, le maître du magnétisme et vampire à ses heures, qui nous impressionne tous par ses infos farfelus, e.g. les bijoux très spéciaux ;-), et son savoir

Yasin « Maître Yas » Eker, le footballeur-chimiste-philosophe détenteur officiel de la marque « Yas la classe » ; Haytam Kasem, l’homme des freins carbone-carbone et qui a de l’avenir au bowling ; Mathieu Monville, l’homme des cellules photovoltaïques et pro du tango ; José Penuelas, l’homme en nanoparticules qui a oublié son peigne chaque matin ; Thua-Tri Van, l’homme qui rigole tout le temps et par ailleurs, petit apprenti au pays de tuffeauland ; Irena Milosevic, la future maîtresse du magnétisme qui reprend le titre d’unique thésarde du labo, détenue fut une époque par une ancienne "grande" doctorante (cf. début de ce paragraphe).

En plus du bloc thésard actuel, il est bien sûr nécessaire de remercier mes amis doctorants algériens, Ratiba (camarade de promo elle-aussi) ainsi que Rissel et Fatima (le béton, ce n’est pas si loin de la pierre) et tunisien, Sihem (merci pour les leçons d’arabe) ; ainsi que les anciens thésards et post-docs du labo : Philippe (le véritable "couteau suisse – marteau pilon"), Alex, Jérôme, Yannick, Ahmed, Ahmad, Amina, Lavinia, Conchi (la chimiste ornithologue …). Je remercie également, pour l’ambiance joviale qu’elle crée au laboratoire, les piliers de la pause-café (parti ou encore là) que sont, en plus des thésards bien sûr, Claire, Thomas (le même précité avant), Xavier (le même précité avant), Nani, Fabienne M. (relectrice officielle des thèses), Fabienne W., Jean-Paul (dit Sean-Paul par Hinda …), Yann, Jean-Michel M., et Nicole (Agent NN) ! Merci aussi à Matthieu Angeli, thésard sur les cailloux à Cergy-Pontoise, que je remercie pour nos discussions intéressantes sur la vie des pierres (et aussi de m’avoir mis en référence dans sa publi …). Un dernier clin d’œil aussi à la valse des stagiaires qui sont passés au labo et qui égayaient les couloirs comme par exemple Aurélie F. qui m’a appris à égoutter mon sachet de thé bien comme il faut et qui m’a aidé à choisir la couleur de ma cravate pour ma soutenance de thèse ; Pierre à qui je suis fier d’avoir appris le salut de main Vulcain ; Carine qui doit encore se souvenir de l’aspect contraignant des essais de gel/dégel (12h de gel et 12h de dégel et l’enceinte n’est pas automatique …) et à qui je remercie de m’avoir appris à jouer aux dames chinoises. Je souhaiterais faire part de ma profonde amitié et de mes sincères remerciements à mes amis de prépa : Benoît Barbarant, un vrai EDF-man à qui on doit plus que la lumière (Mes hommages à Séverine, sa dame et à leur petite Juliette qui est née un mois après ma soutenance …) ; Fabien Claveau, le VTTiste automaticien qui m’a fait comprendre que les espaces vectoriels pré-hilbertiens de dimension 12 avaient une réelle application pratique ; Matthieu Petit, le physicien/historien/globe-trotter, accessoirement bouquetin des alpes en randonnée, pour les conversations psycho-analytico-dépressives sur la condition et le devenir du doctorant moyen. J’adresse aussi tous mes remerciements à ma famille (Maman ; Maud ; Christel et Jean ; Eric et Babette et leur petite Jamie-Lee qui m’obligeait à jouer à la bataille navale pour m’empêcher de lire mes publis) pour leurs encouragements et leur soutient. Et je tiens également à rendre hommage à certains enseignants qui ont marqué ma scolarité : Mr et Mme Faucard (qui m’ont appris à lire, écrire et compter ! et ça, c’est quand même bien utile), Mr Gauthier (qui m’a fait découvrir l’intérêt de l’Histoire et aussi le Seigneur des Anneaux), Mme Lecoeur (qui m’a fait comprendre que la physique-chimie, c’était rigolo …), Mr Foirien (à qui je dois le fait d’avoir compris qu’un livre, ça racontait principalement une histoire et donc que c’est beaucoup plus qu’un tas de caractères noirs sur du papier blanc), Mr Marotte (pour mon choix définitif de la physique-chimie et mon goût ludique de l’enseignement) et Mme Piétri (à qui je dois mon choix d’orientation pour mes études supérieures qui ont conduit finalement à cette thèse).

En dernier lieu, et n’étant jamais mieux servi que par soi-même, je tiens à me féliciter et à me remercier (même si j’ai néanmoins certaines bonnes raisons de me maudire …) d’avoir atteint l’objectif que je m’étais fixé !

- Sommaire -

Introduction générale………...

1

1

partie : L’altération de la pierre en œuvre………..

7

Chapitre 1 : Les formes d’altérations rencontrées et étude de cas………

9

1. Constat des différents types d’altération………

11

1.1. Les altérations physiques……….. 12

1.1.1. Les dissolutions et ravinements……… 12

1.1.2. Le gel……… 12

1.1.3. Les dilatations……….. 13

1.1.4. Les charges mécaniques……….. 13

1.2. Les altérations chimiques……….. 13

1.2.1. Les patines……… 13

1.2.2. Les croûtes noires……… 15

1.2.3. Les efflorescences……… 17

1.2.4. Les plaques……….. 18

1.2.5. Les altérations sableuses et alvéolisations……….. 20

1.3. Les agents biologiques……….. 22

1.4. Autres facteurs favorisant l’altération……….. 24

1.4.1. La compatibilité pierre-mortier………... 24

1.4.2. La compatibilité pierre-pierre………. 25

2. Une étude de cas : observation et analyse d’un tuffeau altéré in-situ………..

26

2.1. Présentation et description macroscopique………..…. 26

2.2. Etude des propriétés d’imbibition………... 27

2.3. Etude des propriétés mécaniques………..… 32

2.4. Modification de l’espace poral………. 33

2.4.1. D’un point de vue visuel……….. 34

2.5.2.b. Caractérisation par diffraction des rayons X sur massif………. 46

2.5.3. D’un point de vue quantitatif……….. 50

2.5.3.a. Analyse chimique élémentaire………... 50

2.5.3.b. Analyse thermogravimétrique……… 52

2.5.3.c. Cartographie élémentaire et analyse d’image………. 53

3. Conclusion……….

56

2

partie : Caractérisation hydro-mécanique des pierres étudiées...

59

Chapitre 2 : Caractérisation morphologique des matériaux……….

61

1. Description macroscopique………..

63

2. Le squelette solide………..

64

2.1. Minéraux en présence………. 64

2.2. Proportion des minéraux………. 65

2.3. Morphologie des minéraux………. 66

2.3.1. Observation des minéraux constitutifs……….. 66

2.3.2. Répartition en taille de grains……….. 71

3. Le milieu poreux………

72

3.1. Densités et porosité totale………... 73

3.2. Observation des effets d’échelles………... 74

3.3. Morphologie du milieu poreux………... 77

3.3.1. Distribution porale……… 77

3.3.2. surface spécifique……….. 79

4. Conclusion………..

Chapitre 3 : Etude des propriétés hydriques………...

83

1. La rétention d’eau……….

85

1.1. Description des techniques d’imposition de la succion……….. 86

1.2. Résultats expérimentaux………. 89

1.3. Distribution porale estimée par la courbe de rétention d’eau………. 93

2.1.1.a. Cinétique d’imbibition et anisotropie……….. 96

2.1.1.b. Profil de teneur en eau durant l’imbibition……….. 100

2.1.1.c. Saturation par immersion………. 101

2.1.1.d. Hauteur limite pour l’imbibition………... 102

2.1.1.e. Cinétique d’imbibition selon l’état hydrique initial……….. 105

2.1.2. La perméabilité à l’eau……….. 106

2.1.2.a. Principes théoriques……….. 106

2.1.2.b. Dispositif expérimental………. 108

2.1.2.c. Résultats et discussion……….. 19

2.2. Le transfert par phase gazeuse……… 114

2.2.1. La perméabilité à la vapeur………... 114

2.2.1.a. Principes théoriques……….. 114

2.2.1.b. Dispositif expérimental………. 115

2.2.1.c. Résultats et discussion……….. 116

2.2.2. L’évaporation……… 120

3. Conclusion………..

124

Chapitre 4 : Etude du comportement mécanique selon l’état hydrique………...

125

1. La résistance à la compression……….

127

1.1. Description du dispositif expérimental……….. 127

1.2. Résultats expérimentaux……… 128

2. La résistance à la traction (méthode indirecte)……….. 132

2.1. Description du dispositif expérimental……….. 132

2.2. Résultats expérimentaux………. 133

3. La vitesse de propagation du son……….

135

3.1. Description du dispositif expérimental……….. 135

3.2. Résultats expérimentaux………. 136

4. La dilatation hydrique……….. 138

4.1. Description du dispositif expérimental……….. 138

4.2. Résultats expérimentaux……… 138

Chapitre 5 : La compatibilité pierre-pierre : Essai de vieillissement des pierres

par cyclage imbibition-séchage……….

145

1. Méthodologie expérimentale………

147

2. Modification des propriétés d’imbibition………

147

3. Description macroscopique………..

152

4. Modification de l’espace poral………. 153

4.1. D’un point de vue visuel……… 153

4.2. D’un point de vue quantitatif……….. 155

5. Modification minéralogique………. 156

5.1. D’un point de vue visuel………. 156

5.2. D’un point de vue qualitatif……… 158

5.2.1. Caractérisation par diffraction des rayons X sur poudre………. 158

5.2.2. Caractérisation par diffraction des rayons X sur massif……….. 158

5.3 D’un point de vue quantitatif………... 159

5.3.1. analyse chimique élémentaire……… 159

5.3.2. Cartographie élémentaire………... 160

6. Conclusion………..

162

Chapitre 6 : La compatibilité pierre-mortier : Comportement hydrique et

mécanique des joints de mortier………...

165

1. Introduction………...

167

2. Caractérisation des matériaux……….

168

2.1. La chaux aérienne……….. 168

2.1.1. Composition chimique……….. 168

2.1.2. Granulométrie de la chaux en poudre……….. 168

2.2. La poudre de pierre……… 169

2.2.1. Composition chimique……….. 169

2.2.2. Granulométrie de la poudre de pierre……….. 169

2.2.3. Réactivité à la chaux………. 171

3. Etude de la pâte de mortier et préparation……….

171

3.4. Formulation et préparation du mortier……… 175

4. Propriétés mécaniques………..

176

4.1. Mortier durci………... 176

4.2. Pierres jointes par le mortier………... 177

5. Propriétés d’adsorption capillaire (imbibition)………..

179

5.1. Mortier durci………... 179

5.2. Pierres jointes par le mortier………... 180

6. Caractérisation microscopique du mortier durci………...

182

7. Conclusion………..

184

Conclusion générale et perspectives………

187

Références bibliographiques………...

193

Introduction générale

On fait la science avec des faits, comme on fait une

maison avec des pierres !

mais une accumulation de faits n'est pas plus une

science qu'un tas de pierres n'est une maison.

Introduction générale

La problématique de la préservation de notre patrimoine bâti est un défi culturel et scientifique. L’objectif principal de cette thèse concerne l’étude, par une approche multi-échelles, du comportement des pierres de monuments vis-à-vis de l’altération. En effet, il convient d’analyser et de comprendre les mécanismes induisant les altérations des pierres en œuvre avant d’entreprendre des recherches sur les techniques de restauration et de conservation.

La roche est un matériau naturel et complexe, constitué d’un ou plusieurs types de minéraux. L’assemblage plus ou moins compact de ces minéraux laisse une porosité plus ou moins importante. La roche, une fois extraite, devient pierre. Mise en œuvre, elle est alors soumise à un environnement en perpétuel changement dont la nature ainsi que l’amplitude de ses variations peuvent le rendre extrêmement agressif. Ainsi devenue matériau de construction, son devenir est lié inexorablement à l’édifice qu’elle constitue. Le vieillissement des pierres est un phénomène naturel et inéluctable. Et l’augmentation de la pollution atmosphérique, favorisée par l’activité humaine, accentue l’ampleur des altérations rencontrées. Néanmoins, il est possible de limiter la dégradation des bâtiments en pierre par des moyens préventifs à défaut d’être curatifs. La restauration des monuments anciens se fait généralement par un remplacement des pierres les plus abîmées. Les pierres utilisées en restauration et les pierres du site doivent présenter une teinte et certaines propriétés physiques semblables. L’idéal serait d’utiliser en restauration la même pierre qui a été utilisée lors de la construction. Malheureusement, le nombre de carrières fournissant les chantiers de restauration devient limité par rapport à la diversité de pierres mises en œuvre originellement. Il convient, en parallèle de l’emploi de techniques de conservation qui peuvent s’avérer lourdes et coûteuses, de veiller à bien choisir les matériaux utilisés comme les pierres de remplacement et les mortiers. En effet, un des points importants concernant la conservation des pierres en œuvre reste la compatibilité entre les matériaux. C’est pourquoi, afin d’améliorer la durabilité des restaurations de monuments, il est nécessaire de caractériser de manière précise les pierres de construction tant du point de vue morphologique que du point de vue du comportement hydrique. En effet, le vecteur principal des phénomènes d’altération est l’eau. Car les matériaux de construction poreux tels que les pierres captent facilement l’eau suivant les conditions environnementales (humidité de l’air, eau de pluie, remontées capillaires provenant du sol), et cette eau peut ensuite circuler à travers le réseau poreux. Ainsi, les flux d’eau à travers la pierre affectent de manière importante son comportement et peuvent générer divers types d’altérations. En effet, l’eau peut agir de manière directe (gel, dissolution sélective de minéraux, recristallisation, …) comme de manière indirecte (transport des sels solubles, favorisation de l’activité biologique, …).Le comportement des pierres vis-à-vis de l’altération étant directement lié aux phénomènes de transfert

Dans la plupart des classifications des pierres de construction (Dinkel, 1997 ; site web mémoire de

pierre), les fiches d’identité présentées fournissent des informations générales macroscopiques comme

l’aspect visuel, la résistance mécanique et la porosité totale. Ces simples caractéristiques apparaissent nettement insuffisantes pour distinguer le comportement des pierres et ainsi faire le choix adéquat vis-à-vis de la durabilité de la restauration. Ainsi, le travail de recherche présenté dans ce mémoire de thèse concerne deux pierres de construction qui ont été choisies à titre d’exemples pour montrer la nécessité d’une étude approfondie visant à bien distinguer deux pierres dont les caractéristiques principales sont très proches : le tuffeau blanc et la pierre de Sébastopol. En effet, ces deux pierres calcaires sédimentaires sont caractérisées toutes deux par une forte porosité de l’ordre de 45% pour une résistance à la compression assez proche de l’ordre de 10 MPa. Cependant, les altérations observées sur les édifices construits avec ces deux pierres apparaissent très différentes.

Le tuffeau blanc est une roche calcaire blanchâtre d’âge géologique Turonien moyen (crétacé supérieur, -90 millions d’années). Le nom de Tuffeau vient du latin tofus signifiant pierre spongieuse. L’étymologie indique clairement la caractéristique principale de ce matériau : sa forte perméabilité liée à sa forte porosité. Elle est abondante en Touraine, pays du tuffeau, et dans le Saumurois. C’est la pierre des châteaux de la Loire et de la plupart des maisons anciennes de la région. Elle est utilisée dans tout le Val de Loire, d’Orléans à Nantes. La blancheur et la relative ductilité de cette pierre ont permis la construction de façades aux sculptures élégantes. Par exemple, les châteaux de Chambord, de Chenonceau, de Blois, de Saumur et d’Amboise sont construits en tuffeau de même que les cathédrales de Tours et de Nantes. Très utilisées au XVIème _{siècle dans l’édification des châteaux de la}

Loire et au XIXème _{siècle dans le cadre des différentes politiques de restauration du patrimoine, la}

plupart des anciennes carrières de tuffeau (comme par exemple la carrière de Bourré) sont aujourd’hui reconverties en caves ou en champignonnières, ou bien encore en habitations troglodytiques (région de Saumur). La famille des tuffeaux regroupe plusieurs microfaciès suivant le lieu d’extraction (Dessandier, 1995). Le tuffeau blanc présenté ici est un tuffeau de Saumur qui a été prélevé dans la carrière Lucet à Saint-Cyr-en-Bourg, dans le Maine-et-Loire.

La pierre de Sébastopol (appelée aussi pierre de Saint-Vaast-les-Mello) est une roche calcaire de couleur beige crème d’âge géologique Lutétien moyen (Eocène, -45 millions d’années). On la trouve principalement au nord de la région parisienne, et cette pierre a servi pour la construction et la restauration de divers monuments de l’Oise comme le château de Mello, et aussi à Paris (église Saint-Augustin, la préfecture de police de Paris, anciennement appelée caserne de la cité, la mairie du 3ème

arrondissement, …). La pierre de Sébastopol a été prélevée dans la carrière Rocamat de Saint-Maximin, dans l’Oise.

Le travail de recherche réalisé au cours de cette thèse se présente en trois grandes parties :

Tout d’abord, pour comprendre les mécanismes de l’altération des pierres en œuvre, il est nécessaire d’observer les différents types de dégradations sur sites afin de déterminer les morphologies d’altération préférentielles des pierres selon les conditions d’exposition, leurs causes et les facteurs extérieurs amplifiant leur développement. Cette observation, présentée au chapitre 1, est confortée par la caractérisation d’un échantillon de pierre vieillis naturellement sur site afin de déterminer les principaux agents responsables de l’altération ainsi que les modifications minéralogiques et texturales générées par les processus d’altération.

Dans un second point, il est nécessaire de bien connaître la pierre non-altérée du point de vue de sa composition, de sa constitution et surtout de son comportement vis-à-vis de l’eau. Pour ce faire, la caractérisation complète des minéraux constitutifs de ces deux pierres de porosité totale similaire a été entreprise au chapitre 2, en utilisant différentes techniques complémentaires (diffraction des rayons X, analyse chimique, analyse thermo-gravimétrique, microscopies optique et électronique) ainsi que l’analyse de la morphologie de leur milieu poreux (porosité totale à l’eau, porosimétrie au mercure, adsorption d’azote). Ensuite, l’eau étant l’élément majeur dans les phénomènes d’altération, l’étude des propriétés hydriques est effectuée au chapitre 3, et concerne la capacité de rétention d’eau des pierres, ainsi que les propriétés de transfert de l’eau sous forme liquide (imbibition, perméabilité à l’eau en milieu saturé) et sous forme vapeur (perméabilité à la vapeur en milieu non-saturé, cinétique d’évaporation). Le comportement hydro-mécanique est aussi étudié au chapitre 4, afin d’observer l’évolution des caractéristiques mécaniques (résistances en compression et en traction, vitesse du son) en fonction de la proportion d’eau contenue dans la pierre.

Une dernière partie est consacrée à la durabilité des pierres mises en œuvre par deux approches complémentaires avec l’étude de la compatibilité entre pierres et de la compatibilité entre la pierre et le mortier. En effet, pour les deux pierres étudiées, un essai de vieillissement artificiel des pierres est présenté au chapitre 5. Cet essai consiste par l’imposition de cycles imbibition-séchage avec une simple action de l’eau sans aucun polluant ajouté. Le comportement des deux pierres face à ce même processus d’altération est alors comparé. Et par ailleurs, la durabilité des pierres en œuvre dépendant de tous les éléments du bâtiment, une étude préliminaire, réalisée au moyen d’une caractérisation hydro-mécanique des joints de mortier, est proposée au chapitre 6 afin de déterminer les critères de compatibilité entre le mortier et les pierres en œuvre.

Enfin, une synthèse des résultats obtenus lors de cette étude est présentée en conclusion générale, en insistant sur les éléments principaux permettant d’assurer la compatibilité optimale entre les différents matériaux de construction. Et des perspectives ouvertes grâce à ce travail sont ensuite développées.

1

ère

partie :

Chapitre 1 :

Les formes d’altérations rencontrées

La pierre est immortelle ... l'érosion aussi !

[Yann Bloyet]

Chapitre 1 :

Les formes d’altérations rencontrées

Ce chapitre est consacré à la présentation des différents types d’altérations rencontrées sur les pierres en œuvre. Un bilan des observations est réalisé avec, en illustration, quelques exemples de dégradations concernant le tuffeau blanc et la pierre de Sébastopol. De plus, une étude de cas sur un tuffeau en œuvre est présentée afin d’observer en détail les modifications minéralogiques et texturales apparues.

1. Constat des différents types d’altérations

Lorsque la roche est extraite pour devenir pierre, le matériau subit un bouleversement important : l’état métastable (variation lente des conditions environnementales) dans lequel elle se trouvait est rompu. La pierre est alors soumise à un milieu en perpétuel changement dont l’amplitude de ses variations peut le rendre très agressif. Et ce phénomène s’est accentué par le rapide développement des polluants atmosphériques au cours du dernier siècle (Price, 1995).

Le phénomène de dégradation des pierres est principalement gouverné par les conditions climatiques (pluie, froid, soleil, vent, pollution atmosphérique, …), par la morphologie du bâtiment (sculptures, façades, corniches, balcons, encadrement de fenêtres, …) et l’exposition (faces Nord, Est, Sud, Ouest vis-à-vis des phénomènes météorologiques, parties basses vis-à-vis de l’influence du sol) mais aussi par la nature de la pierre elle-même (composition minéralogique, structure de porosité). On distingue donc différentes morphologies d’altérations liées aux différents types de conditions environnementales. Et classiquement, ces altérations et dégradations peuvent se regrouper en trois catégories principales (Jeannette, extrait de Philippon, 1992) : les altérations physiques, qui résultent d’une dissociation des constituants de la pierre mais sans en modifier la composition minéralogique ; les altérations chimiques où les minéraux de la partie superficielle sont transformés par apport ou départ d’éléments ; et les altérations d’origine biologique.

La dégradation des pierres sur un bâtiment résulte en général de la combinaison de ces trois processus principaux. Les exemples d’altérations présentées ici affectent toutes les pierres employées dans les constructions mais elles sont illustrées uniquement dans le cas du tuffeau blanc et de la pierre

1.1. Les altérations physiques

1.1.1. Les dissolutions et ravinements

Les ravinements se produisent sur des éléments exposés à des ruissellements accidentels (sous des gargouilles, des chéneaux défectueux, …) et ils sont dus à une simple érosion mécanique provoquée par l’écoulement de l’eau. Les formes en relief sont rongées (Figure I.1) et les sculptures réduites à l’état de ruines. Les dissolutions affectent tous les minéraux des pierres exposées à des lessivages importants et plus particulièrement la calcite, et se traduisent par une usure superficielle de la pierre. Une accumulation de débris de roche peut souvent s’observer à la base des murs (Figure I.2). Camuffo (1995) estime que la dissolution est d’autant plus importante que le flux d’eau ruisselant est important et à régime turbulent. Ce lessivage empêche l’accumulation de poussières atmosphériques et emporte les éventuels produits d’altération. Les dissolutions sont d’autant plus intenses et rapides que les eaux de pluie sont acides (Morse, 2002 ; Bravo, 2006) ; c’est pourquoi elles sont amplifiées par la pollution atmosphérique (Johnson, 1996).

(a) (b)

Figure I.1 (ci-dessus) : érosion des reliefs sculptés en tuffeau I.1.a : partie d’un mur du château de Chambord ;

I.1.b : encadrement de porte de l’hôtel d’Effiat à Montrichard. Figure I.2 (ci-contre) : mur en tuffeau rongé par les dissolutions (Donjon de Montrichard)

1.1.2. Le gel

Quand la température de la pierre devient suffisamment basse, l’eau contenue dans les pores peut geler. L’action du gel provoque des dégradations sur les pierres quand leur teneur en eau atteint une valeur critique, propre à chaque pierre, pour laquelle il n’y a plus assez d’espace vide dans le milieu poreux pour permettre la cristallisation de la glace sans exercer de pression destructive (Chen, 2004). En effet, le comportement du gel résulte du couplage entre l’expansion volumique de 9% lors de la

via la distribution en taille de pores, l’eau ne gelant pas dans les capillaires les plus fins grâce aux énergies impliquées à l’interface solide-liquide (Remy, 1993) et les transports d’eau surfondue au sein du réseau poreux dont le phénomène de cryosuccion qui entraîne l’eau des sites non gelés vers les pores déjà gelés. C’est en effet, la pression hydraulique développée par l’eau poussée par les cristaux de glace qui engendre ce type de détérioration (Thomachot, 2002). La gélifraction affecte surtout les roches sédimentaires bien litées et provoque des éclatements ou des fractures qui écartent les lits les uns des autres ou qui divisent les pierres en tranches épaisses de plusieurs centimètres. Par ces phénomènes, on peut donc observer soit un écaillage en surface, une désagrégation sableuse, ou bien un délitage de la pierre sous forme de plaquettes (appelé gélidisjonction) ou encore un éclatement de la pierre.

1.1.3. Les dilatations

Les pierres soumises à des variations brusques de température et/ou de saturation en eau peuvent subir des dilatations thermiques et hydriques dont l’importance varie en fonction de leur nature minéralogique et de la structure de leur milieu poreux. Les argiles qui gonflent en présence d’eau jouent souvent un grand rôle dans la dilatation hydrique des roches de même que certains hydroxydes et les calcites finement cristallisées. La répétition des dilatations hydriques entraîne un décollement de plaques dont la surface et l’épaisseur correspondent à la partie de la pierre imbibée à chaque cycle. Ce type de plaque se distingue de certaines altérations chimiques (voir paragraphe I.1.2.4) car elles ne présentent pas à leur base de concentration en sels.

1.1.4. Les charges mécaniques

Ce type de détérioration est directement lié à la structure du bâtiment. En effet, sous l’action de sollicitations trop importantes pour la qualité de la roche, les contraintes peuvent provoquer la fissuration et même la rupture d’un élément (Rautureau, 2001). Les causes les plus fréquentes en sont le mauvais remplissage des joints de mortier ou l’utilisation d’un mortier inadéquat, les poses de parpaings en délit ou bien la perte de résistance mécanique dû à la saturation de la pierre en eau (Mamillan, 2003).

1.2. Les altérations chimiques

1.2.1. Les patines

Les pierres anciennes ont souvent une couleur plus foncée, proche de l’ocre, et une texture plus satinée qui leur donne un aspect lisse, comparé à celles tirées de carrière. On dit couramment qu’elles sont patinées. La formation d’une patine est la réaction première de la roche quand elle est extraite de la carrière et mise en œuvre. Elle forme ainsi un épiderme superficiel plus ou moins induré. Son

épaisseur, sa couleur, sa composition dépendent de la nature et de l’âge de la pierre ainsi que des conditions environnementales (Figure I.3). L’aspect en épiderme s’observe facilement sur la figure I.3.a où on peut distinguer nettement, sur une main courante en tuffeau, une patine ocre d’aspect lustré et le cœur de la pierre qui reste blanchâtre. Les patines peuvent se former rapidement comme le montre la figure I.3.b où une pierre neuve posée en 1998 s’est recouverte d’une fine pellicule ocre d’aspect satiné. Les patines couvrent généralement les surfaces exposées aux intempéries et donc soumises à des alternances d’imbibitions et de séchages, et elles ne se forment pas de façon homogène sur toutes les pierres d’un monument. Sur les pierres situées à l’abri des intempéries, ou au contraire soumises à des lessivages entraînant des dissolutions, les patines sont inexistantes. L’acquisition de ces teintes superficielles ocres est souvent due à un très léger enrichissement en oxydes de fer de la couche externe de la pierre (quelques centièmes de pourcentage suffisent). Lors des migrations des fluides par capillarité, les oxydes disséminés dans la pierre sont transférés vers la surface d’évaporation où ils s’accumulent. L’induration superficielle est due à un enrichissement en surface de minéraux comme du gypse ou des carbonates et oxalates de calcium, qui viennent combler la porosité.

(a) (b)

Figure I.3 : patines observées sur une main courante en tuffeau (cloître de la Psalette – Tours). (I.3.a : patine sur une pierre ancienne ; I.3.b : patine sur une pierre posée en 1998)

Par ailleurs, suivant la composition minéralogique ce ces patines, il est utile de préciser les notions de calcin et de sulfin, couramment utilisées par les tailleurs de pierre. Le calcin est une induration superficielle de calcite. Cette croûte plus dense que le reste de la pierre induit une augmentation de dureté d’autant plus grande que la pierre est tendre (Pauly, 1990). Il est admis que le calcin constitue une matière qu’il faut conserver car elle constitue une protection tant qu’elle conserve sa cohésion. Mais dans de nombreux cas, le calcin se détache de la surface sous forme de petites plaques qui se révèlent riches en sulfates mais sans réelle accumulation de particules noires (Figure I.4). Cette croûte a d’abord été appelée "mauvais calcin", puis sulfin à cause de sa composition chimique riche en sulfate et par analogie avec le calcin.

Figure I.4 : croûtes sulfatés en forme de cloques sur un mur en tuffeau (Nantes)

Brunet-Imbault (1999) définit la patine comme la zone superficielle de la pierre subissant l’interaction avec le milieu environnant ; cette zone présentant des modifications de structure et/ou de composition minéralogique. Cette patine se distingue des altérations destructrices dans la mesure où il n’y a pas de décohésion des constituants du matériau. C’est donc une forme d’altération car elle résulte de modifications apparues dans la pierre, mais pas une dégradation à proprement parlée. Dans un premier temps, les patines sont protectrices dans la mesure où elles forment un épiderme qui limite l’accessibilité par imbibition de la structure interne de la pierre aux agents d’altération, mais cette modification superficielle de composition et de structure modifie les circulations des fluides, et cette inhomogénéité elle-même forme une sorte d’initiation aux futures dégradations (Rautureau, 2001).

1.2.2. Les croûtes noires

Les croûtes noires représentent une altération commune et répandue sur tout type de pierre, et spécialement celles provenant d’un milieu urbain. Ces encroûtements ne se développent que dans les parties humides abritées des lessivages où s’évaporent les solutions qui transitent à travers la roche. Ils sont donc bien développés sur les faces intérieures des corniches, des balcons et dans les parties en creux des sculptures. La figure I.5 montre, sur une partie d’un mur en tuffeau abritée du lessivage des pluies, le développement important de croûtes noires qui finissent par se desquamer. En effet, à l’abri de tout lessivage, les encroûtements noirs peuvent recouvrir de grandes surfaces et sur des épaisseurs pouvant aller jusqu’à plusieurs centimètres. Dans le cas de la pierre de Sébastopol, la figure I.7 illustre le fait que les croûtes noires ne peuvent se développer convenablement qu’à l’abri des pluies fouettantes et préférentiellement dans un milieu fortement pollué par les suies atmosphériques comme en milieu urbain (Figure I.8).

Figure I.5 : croûte noire formée sur un mur en tuffeau abrité des pluies fouettantes (Nantes)

Figure I.6 : croûte noire se détachant et laissant le tuffeau pulvérulent (Tours)

Figure I.7 : dépôt de suies noires limité par le ruissellement des pluies sur un mur en pierre de

Sébastopol (église St-Augustin – Paris)

Figure I.8 : dépôt important de suies noires sur un encadrement de fenêtre en pierre de Sébastopol

(Mello)

De plus, leurs morphologies diffèrent notamment selon la rugosité superficielle de la pierre sur laquelle elles se développent (Bannery, 1997). Formées principalement par le dépôt de microparticules noires (poussières atmosphériques, suies) cimentées par un feutrage de sels provenant de la pierre, principalement du gypse, l’encroûtement n’induit pas le même type d’altération selon que le substrat pierreux apparaît compact ou poreux. Dans le cas des pierres compactes et peu poreuses, l’encroûtement correspond seulement à des dépôts plaqués sur la surface faiblement cimentée par du gypse. Ces croûtes noires d’aspect friable sont épaisses, stratifiées et se développent assez vite. On peut les trouver aussi sur des bronzes ou même des vitraux. Lorsqu’elles sont enlevées, la pierre sous-jacente est cohérente et apparaît presque intacte. Dans le cas des pierres poreuses, l’encroûtement incruste plus facilement la pierre (Figure I.9) et on observe un passage progressif entre les couches de

dépôt et le substrat pierreux imprégné par le gypse qui devient friable et pulvérulent (Figure I.6 dans le cas du tuffeau et Figure I.9 dans le cas de la pierre de Sébastopol). Ces croûtes noires finissent par se détacher spontanément du substrat et elles entraînent systématiquement dans leur chute la partie superficielle de la pierre. Ce qui a pour effet de mettre à nu la pierre fragilisée et pulvérulente sur plusieurs millimètres, qui peut ainsi s’exposer à un nouveau cycle d’altération.

Figure I.9 : dépôt de suies noires dans la rugosité de surface de la pierre de Sébastopol et croûte noire pulvérulente se développant sur une zone abritée des pluies (caserne de la cité – Paris)

1.2.3. Les efflorescences

On peut souvent constater sur les édifices anciens dont les fondations ne sont pas isolées par une barrière anticapillaire (couche d’ardoises, feuille de plomb), des auréoles peu esthétiques qui affectent souvent les parties basses des murs. C’est ce qu’on appelle traditionnellement les "maladies de la pierre" : ces encroûtements de sels peuvent avoir différentes morphologies (efflorescences duveteuses, pulvérulences, croûtes, pustules, …) suivant le type de sel rencontré et la morphologie de la pierre. On rencontre une très grande diversité de sels (Perrier, 2004), et parmi les plus fréquents, on trouve des sulfates Na2SO4, K2SO4, CaSO4 ; des carbonates CaCO3, NaCO3 ; des chlorures NaCl, KCl et des

nitrates KNO3 (le fameux salpêtre), NaNO3 …

Les sels, provenant de la maçonnerie ou du sol cristallisent au niveau où se fait l’évaporation. Quand l’évaporation a lieu sur la surface, on a affaire à des efflorescences disgracieuses (Figure I.10), mais le phénomène est plus grave quand la cristallisation a lieu à l’intérieur des pierres à la limite de l’extension capillaire (subflorescences) car ces sels peuvent engendrer des pressions de cristallisations importantes (Hammecker, 1993). La nature du réseau poreux de la pierre y est essentielle car ses propriétés déterminent si les sels cristallisent à la surface ou à l’intérieur du matériau. Quand la cristallisation se produit à l’intérieur de la pierre, elle y provoque des fissures importantes et des desquamations sous la forme d’écailles de plus ou moins grandes dimensions. Les efflorescences en surface sont moins dommageables.

Figure I.10 : efflorescences blanches de sels provenant de la maçonnerie se développant sur un mur en tuffeau placé sous une charpente mal isolée des pluies (château de Chaumont)

1.2.4. Les plaques

Les pierres soumises à des pluies fouettantes et subissant des cycles d’imbibition et de séchage sont affectées par un débit en plaques dont l’épaisseur peut varier de quelques millimètres à plusieurs centimètres (Figures I.11 et I.12). Cette altération est la plus caractéristique des tuffeaux (Philippon, 1992 ; Dessandier, 1995 ; Beck, 2003).

Figure I.11 (ci-dessus) : altération en plaques (de plusieurs centimètres d’épaisseur) sur un mur en tuffeau

(château de Valencay)

Figure I.12 (ci-contre) : altération en plaques (de quelques millimètres d’épaisseur) sur un mur en tuffeau

(château de Chaumont)

Les altérations en plaques apparaissent plus fréquemment sur les zones exposées aux pluies ou aux remontées capillaires et connaissant des évaporations intenses comme les murs bien ventilés, les pierres d’angle ou les encadrements de fenêtres (Figures I.13 et I.14). C’est pourquoi ce type de

dégradation se rencontre plus souvent sur les façades ouest et/ou sud plus souvent soumises aux pluies battantes et aux vents. Mais on peut aussi rencontrer une altération en plaques sur des zones où il y a un apport d’eau particulier comme le montrent les figures I.15 et I.16 où, sur un mur en tuffeau, les plaques sont initiées à partir d’une zone proche d’un écoulement d’eau ruisselant.

Figure I.13 : altération en plaques initiée sur des pierres d’angle (château de Chaumont)

Figure I.14 : altération en plaques initiée sur un encadrement de fenêtres (château de Chambord)

Figure I.15 : altération en plaques initiée par un apport d’eau particulier (Nantes)

Figure I.16 : altération en plaques initiée par un apport d’eau particulier (château de Chaumont)

Ces plaques se développent indépendamment du litage stratigraphique et sont parallèles à la surface du mur. Elles se distinguent des éclatements dus au gel et des décollements résultants des dilatations hydriques car elles peuvent affecter sur des murs entiers toutes les pierres de même exposition (Figure

cohérente dont la surface peut être dure et homogène, en particulier si elle est recouverte d’une patine. S’ensuit, là où a eu lieu le décollement de la plaque, une partie granuleuse presque pulvérulente, d’un aspect feuilleté, et jalonnée d’un réseau de fissures parallèles (Figures I.11 et I.12). A cet endroit, on observe bien souvent la présence d’une forte concentration en sels (halite NaCl, thénardite Na2SO4 et

surtout gypse CaSO4,2H2O).

Figure I.17 : altération en plaques affectant tout un mur (château de Chambord)

Figure I.18 : formation d’une plaque avec fissuration (château de Chambord)

Différents auteurs proposent des interprétations de ce phénomène. Par exemple, selon Thomachot (2002), la cristallisation de sels en subsurface serait due principalement aux mécanismes d’évaporation. Quand le séchage est suffisamment lent et que le réseau poreux le permet, les sels dissous en solution peuvent arriver en surface et forment ainsi des efflorescences. Mais lorsque l’alimentation capillaire ne compense plus le flux d’évaporation, la zone de discontinuité hydraulique se situe sous la surface, et les sels précipitent alors à l’intérieur de la roche, formant un horizon d’accumulation de sels par répétition des cycles d’imbibition et de séchage, et développant d’importantes pressions de cristallisation, à la profondeur d’équilibre hydrique pour laquelle les flux d’évaporation et d’imbibition s’annulent, profondeur qui correspond à l’épaisseur de la plaque. Sous l’effet d’importantes cristallisations de sels (Hammecker, 1993), des craquelures se développent le long de cet horizon puis la surface de la pierre se fissure (Figure I.18) et la plaque ainsi formée peut se détacher et tomber.

Lorsqu’une plaque se détache, la nouvelle géométrie de la surface, désagrégée par les sels, n’est pas propice au développement d’une nouvelle plaque mais favorise plutôt d’autres types d’altération comme la désagrégation sableuse.

1.2.5. Les désagrégations sableuses et alvéolisations

Cette altération se développe dans des endroits humides mais non lessivés et se traduit par le dessertissage des grains de la roche provoqué par la dissolution du ciment de calcite et à la cristallisation de sels comme la halite (NaCl), la thénardite (Na2SO4) et le gypse (CaSO4, 2H2O). On

des développements dans des conditions d’exposition identiques, les désagrégations sableuses sont le plus souvent indépendantes des encroûtements gypseux. Cette altération est la plus caractéristique de la pierre de Sébastopol comme pour la plupart des calcaires granulaires. Par la cristallisation de sels provoquant un dessertissage des grains important (Figure I.19), les désagrégations sableuses provoquent une érosion qui peut être assez rapide sous l’action des pluies et du vent. Cette érosion peut se faire soit de façon homogène induisant un recul de la surface de la pierre sur plusieurs centimètres, ou bien de façon différentielle aboutissant à la formation d’alvéoles. En effet, les figures I.20 et I.21 illustrent ce phénomène dans le cas d’un mur en tuffeau où la surface de la pierre a reculé de plus de 10 cm par rapport aux soubassements en granite.

Figure I.19 (ci-dessus): désagrégation sableuse sur un mur en pierre de Sébastopol (Mello)

Figure I.20 (ci-contre) : désagrégation sableuse sur un mur en tuffeau (château des ducs de Bretagne – Nantes)

L’alvéolisation (Figure I.21) a lieu sur les roches hétérogènes à stratifications entrecroisées, les zones peu érodées correspondant aux parois des alvéoles. Dans de nombreux cas, les alvéoles progressent à partir d’irrégularités dans la roche, et ce creusement préférentiel semble modifier les conditions d’évaporation et donc les cristallisations de sels dont dépend le développement des alvéoles. Comme les autres types d’altérations, les désagrégations par dessertissage de grains sont contrôlées par l’exposition et par les propriétés physiques des pierres. La formation préférentielle des alvéoles le long des litages stratigraphiques (Figure I.22) ayant des propriétés physiques sensiblement constantes, en fournissent un bon exemple.

Figure I.21 (ci-dessus) : alvéolisation sur un mur en tuffeau (château des ducs de Bretagne – Nantes) Figure I.22 (ci-contre) : alvéolisation sur un mur en pierre de Sébastopol (Mello)

1.3. Les agents biologiques

De nombreux organismes vivants peuvent facilement coloniser les pierres en œuvre et aussi être responsables, en plus de leur caractère inesthétique, de dégradations plus ou moins importantes (Warscheid, 2000). Les agents d’altération biologiques sont principalement les mousses, les champignons et les lichens, les algues mais aussi certaines bactéries.

Les bactéries peuvent être présentes en très grand nombre sur la pierre (jusqu’à 108 _{ou 10}9 _individus

par gramme) et sont souvent responsables des dégradations de certains minéraux par production d’ acides organiques, ou par oxydation de différents composés conduisant à la formation de sulfates ou de nitrates. Les algues n’ont quasiment besoin que d’humidité et de lumière pour se développer, et on les trouve souvent sur les murs exposés aux pluies ou le long des écoulements d’eau où il n’y a pas de ravinement (Figures I.23 et I.24). Elles sont surtout responsables de salissures vertes, noires ou même rouges suivant le type d’algues (Figure I.24).

Figure I.23 (ci-dessus) : développement d’algues vertes sur un mur en pierre de Sébastopol exposé aux pluies (Cramoisy) Figure I.24 (ci-contre) : développement d’algues vertes et rouges sur un mur en tuffeau exposé à un écoulement d’eau provoqué par une gouttière mal entretenue (Nantes)

Le développement des champignons et lichens (Seaward, 1997) peut être destructeur car il fragilise localement la pierre de façon mécanique par la croissance de leurs thalles incrustés dans la pierre et de leurs racines, les rhizines, qui peuvent pénétrer profondément dans la pierre, et aussi de façon chimique car la pierre est attaquée par les rejets de leurs métabolismes comme par exemple l’acide oxalique qui attaque les carbonates pour former des oxalates souvent responsables d’une coloration ocre de la surface des pierres (Bromblet, 2002). Les mousses sont moins nocives que les lichens mais elles entretiennent l’humidité sur les murs, ce qui favorise le développement des bactéries. On les trouve souvent à la base des murs, là où ont lieu les remontées capillaires provenant du sol. La figure I.25 montre d’ailleurs la limite de montée de l’eau dans la pierre par un liseré d’efflorescence ocre. Le développement des mousses et lichens est très important en dessous de cette zone, là où la pierre est constamment humide.

Enfin, le développement des herbes, plantes grimpantes et arbustes - surtout signe d’un manque d’entretient du bâtiment - sont destructeurs car leurs systèmes radiculaires s’infiltrent dans les fissures et les joints entre pierres (Figure I.26) exerçant des pressions suffisamment importantes pour la fragmentation de la pierre. Ils génèrent en outre des microsols humides qui sont une source de sels et le lieu d’une intense activité biologique.

Figure I.25 (ci-dessus) : développement de mousses et de lichens à la base d’un mur en tuffeau (château de Chambord) Figure I.26 (ci-contre) : développement d’herbes et d’arbustes entre les joints de pierre (château de Chambord)

1.4. Autres facteurs favorisant l’altération

Lors de la construction ou lors de la restauration, certains agents extérieurs peuvent contribuer à amplifier les processus d’altération comme par exemple la corrosion d’éléments métalliques en contact avec la pierre. Mais les facteurs les plus importants sont la nature des joints de mortier et l’association de certaines pierres :

1.4.1. La compatibilité pierre-mortier

Sur la plupart des anciens bâtiments en pierre de taille, on remarque que sur les murs assemblés avec des mortiers à la chaux, peu ou pas d’altération se développe sur les pierres bordant les joints. Les chaux utilisées étaient, sauf exception, des chaux aériennes ou à faible indice d’hydraulicité. Ces mortiers à la chaux, dépourvus de sels nocifs et très perméables, ne créent pas d’obstacle à la continuité hydrique entre les pierres et donc, ne favorisent pas la rétention de l’eau. A l’opposé, les mortiers modernes, à base de ciment silicatés ou de chaux fortement hydrauliques, forment des zones riches en sels (Perrier, 2004) et moins perméables qui favorisent l’accumulation d’eau et de sels dissous dans les pierres (Bromblet, 2002). C’est pourquoi sur des murs anciens ayant été rejointoyés avec des mortiers de ciment, on observe un creusement rapide de la pierre avec le départ d’une plaque ou en désagrégation sableuse, ainsi que la mise en relief des joints de ciments. Une illustration du phénomène est présentée en figure I.27 où des blocs de tuffeau sont liés avec un mortier à base de ciment. La pierre a un aspect pulvérulent en surface, et elle s’est creusée sur plusieurs centimètres laissant les joints de mortier en relief. Le même phénomène se rencontre aussi avec la pierre de Sébastopol rejointoyée avec du ciment (Figure I.28).

Figure I.27 : incompatibilité entre le tuffeau et un mortier à base de ciment provoquant une altération des pierres en désagrégation sableuse (Tours)

Figure I.28 : incompatibilité entre la pierre de Sébastopol et un mortier de ciment provoquant une altération des pierres en désagrégation sableuse (Mello)

1.4.2. La compatibilité pierre-pierre

La restauration des monuments se fait généralement par un remplacement des pierres les plus abîmées. Dans la mesure du possible, les pierres utilisées en restauration et les pierres du site doivent présenter une teinte et certaines propriétés physiques semblables. L’idéal serait d’utiliser en restauration le même type de pierre qui a été utilisé lors de la construction. Malheureusement, le nombre de carrières fournissant les chantiers de restauration devient limité par rapport à la diversité de pierres mises en œuvre originellement.

Sur un monument, la juxtaposition de pierres d’aspect similaire mais de nature pétrophysique différente peut accélérer la dégradation de l’une d’elles (Dessandier, 1995). Une pierre laissant faiblement circuler les fluides, juxtaposée à une pierre favorisant leur passage, va empêcher la

circulation homogène des fluides. Cette dernière sera beaucoup moins drainée que sa voisine et accumulera les sels dissous favorisant sa dégradation. Par exemple, l’association du tuffeau et de la pierre de Richemont accélère l’altération du tuffeau (Thomachot, 1998 ; Derbez, 1999). Dans le cas de la cathédrale de Tours, Derbez (1999) a montré que les différences de propriétés pétrophysiques de ces deux roches calcaires sont essentiellement responsables de ce comportement. Une illustration du phénomène est présentée en figure I.29 où des blocs de tuffeau sont juxtaposés à un calcaire dur. La tuffeau se désagrège très fortement alors que l’autre type de pierre ne présente pas de faciès d’altération.

(a)

(b)

Figure I.29 : incompatibilité entre le tuffeau et une pierre plus compacte provoquant une altération du tuffeau en : (a) désagrégation sableuse (Orléans) et (b) alvéolisation (Nantes)

2. Une étude de cas : observation et analyse d’un tuffeau altéré in-situ

2.1. Présentation et description macroscopique

Une caractérisation de l’altération d’un tuffeau a été effectuée avec pour but d’observer les modifications minéralogiques et texturales d’une pierre mise en œuvre. Quelques échantillons de pierre altérée naturellement ont pu être prélevés sur un bloc de tuffeau blanc (Figure I.30) provenant d’un chantier de rénovation d’une maison du centre ville d’Orléans. La façade de la maison où ont été prélevés les échantillons est orientée vers l’Est et se situe dans une rue assez étroite. L’exposition de la pierre est donc assez ombragée et à l’abri des pluies battantes.

Le parpaing prélevé in-situ est un bloc massif de tuffeau blanc. Cet échantillon de pierre possède un état d’altération assez avancé. La zone de contact avec le milieu extérieur présente une croûte noire

d’environ 0,5 mm d’épaisseur (Figure I.31). Cette croûte noire ne présente pas un aspect vernissé mais plutôt pulvérulent, et se desquame facilement. Dans les trois premiers millimètres sous-jacents à cette croûte noire, la pierre est facilement friable et comporte de nombreuses fissures parallèles à la surface exposée. Cette pierre possède donc un état d’altération assez avancé, ce qui justifie le fait que le bâtiment ait subi une restauration lourde et complète de sa façade.

On constate aussi la présence de liserés jaunâtres parallèles entre eux et perpendiculaires à la surface exposée. Ils semblent être disposés sous forme de strates et sembleraient indiquer le sens du lit de la pierre. Mais l’observation la plus intéressante est la présence d’un liseré orange d’environ 2 mm d’épaisseur parallèle à la surface exposée. Ce liseré est assez régulier et situé à environ 20 mm de la surface (Figure I.31).

Figure I.30 (ci-dessus) : bloc de tuffeau prélevé in-situ.

Figures I.31.a et I.31.b (ci-contre) : plaquette du tuffeau prélevé in-situ en plan large et en plan serré sur la partie proche de la surface exposée à l’environnement extérieur.

2.2. Etude des propriétés d’imbibition

La propriété d’imbibition par capillarité d’une pierre est directement liée à la taille et à la forme des pores, ainsi qu’à la connectivité du milieu poreux. Le principe est que lorsqu’un solide poreux est mis en contact avec de l’eau liquide, le fluide non mouillant (air) qui remplissait les pores est déplacé par le fluide mouillant (eau) sans qu’une pression extérieure soit appliquée. Le modèle théorique se base sur la remontée de l’eau par capillarité dans un tube cylindrique vertical de rayon r de faible hauteur

croûte noire

liseré orange croûte noire

Figure I.32 : ascension capillaire dans un tube cylindrique

Le gradient de pression provoquant l’écoulement du fluide résulte de la pression capillaire ∆P qui est régie par la loi de Laplace [Eq.1]

c m eau air c

P

P

2

_r

2

cos

_r

P

P

=

=

−

=

σ

=

σ

θ

∆

où σ est la tension superficielle du fluide (σ = 0,072 N/m) et θ l’angle de contact capillaire solide-fluide (θ ≈ 0° pour l’eau qui est un solide-fluide mouillant) et rm le rayon du ménisque. La pression capillaire

s’exprime donc comme la variation de pression au niveau de l’interface air/eau. C’est donc une chute de pression qui entraîne le déplacement du ménisque à l’intérieur du capillaire (de Gennes, 2005).

Le débit du fluide en régime permanent et laminaire dans un tube cylindrique est donné par la loi de Hagen-Poiseuille [Eq.2]

h

8

P

r

dt

dh

r

dt

dV

Q

η

∆

π

=

π

=

=

où Q est le débit volumique, h la hauteur capillaire, η la viscosité de l’eau (η = 0,001 Pa.s).

De ces deux lois, on obtient l’équation de Washburn (Washburn, 1921) qui relie la hauteur h parcourue par le ménisque durant le temps t [Eq.3] et qui devient l’équation Eq.4 mise sous une forme massique, ∆m étant la masse de liquide imbibant le tube capillaire de section S. Les coefficients

d’imbibition massique A et visuel B correspondent respectivement aux pentes des courbes de prise de masse et d’ascension du front capillaire en fonction de la racine carrée du temps.

t B t 2 r h c ₌ η σ = [Eq.3] air pression atmosphérique θ θ r_m Rc P_eau P_air h air eau air pression atmosphérique θ θ r_m Rc P_eau P_air h air eau

t A Sm =

∆ _[Eq.4]

Si le front d’imbibition est bien régulier, les deux coefficients d’imbibition A et B peuvent être reliés à la porosité accessible à l’eau par montée capillaire Nc qui correspond au volume qu’occupe

l’eau par rapport au volume du matériau durant l’imbibition par la relation :

A = ρeau B Nc [Eq.5]

La concordance entre le modèle du tube capillaire de rayon rc et l’expérimentation est

essentiellement qualitative car le réseau poreux d’une pierre ne peut évidemment pas se résumer à un simple tube cylindrique. Cependant, ce modèle est utile car il décrit la forme des courbes d’imbibition capillaire obtenues expérimentalement sur les pierres (h = B√t et m = A√t) et met en évidence l’influence du rayon de pore sur la cinétique d’imbibition.

Dans cet essai (norme AFNOR B10-613), l’échantillon de pierre préalablement séché est placé dans une cuve hermétique au fond de laquelle le niveau d’eau distillée est maintenu constant pendant toute la durée du test. A intervalles de temps croissants, l’échantillon est pesé et la hauteur de la frange capillaire est mesurée au pied à coulisse.

Afin d’observer les propriétés d’imbibition de ce tuffeau prélevé in-situ, un échantillon a été prélevé en notant bien sa position dans le bloc. Les trois grandes directions de l’espace sont représentées par les sens noté A, B et C (Figure I.33).

Figure I.33 : prélèvement de l’échantillon (photographie ci-contre) à partir du bloc de tuffeau prélevé in-situ.

Les résultats du test d’imbibition sont présentés sur la figure I.34. Les courbes d’imbibition sont segmentées en trois parties. En effet, dans un premier temps, l’eau monte par capillarité dans la pierre à travers la croûte noire sans difficulté jusqu’au niveau du liseré orange (15-20 mm). A ce niveau, la montée de l’eau est grandement freinée et les coefficients d’imbibition sont quasiment divisés par deux. Progressivement, les particules formant le liseré orange commencent à être drainées par l’eau

sens B se n s C sens A sens B se n s C sens A sens B se n s C sens A